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基于超重力技术的液压油在线净化技术研究

放大字体??缩小字体 发布日期:2017-11-13??来源:中国制氨机网
核心提示:  提高液压系统油液的清洁度是我国当前所面临的一个瓶颈。  使用高清洁液压油液可以大大降低元件的摩擦磨损,提高液压系统运行的可靠性,从而为国民经济各行各业液压系统的安全可靠运行保驾护航,进而产生巨大的

  提高液压系统油液的清洁度是我国当前所面临的一个瓶颈。

  使用高清洁液压油液可以大大降低元件的摩擦磨损,提高液压系统运行的可靠性,从而为国民经济各行各业液压系统的安全可靠运行保驾护航,进而产生巨大的经济效益和社会效益。因此探求新的有效净化方法,实现液压油液的高效高精度过滤,以满足当前飞速发展的工业化需求是目前我国亟待解决的关键技术问题。

  2液压油液过滤技术的发展现状液压系统中的污染物主要指包含在油液中的固体颗粒、水、空气、化学物质、微生物和污染能量等杂物,这些污染物是致使系统发生故障的主要原因。液压系统中的污染物能够加剧元件的磨损,堵塞缝隙及过滤器、使泵和阀的性能下降,加速油液氧化,引起气蚀等。由于采用各种过滤技术去除油液中的污染物是提高油液清洁度的唯一途径,因此为了满足食品、药剂、冶金等行业对系统高可靠性、高清洁油液的高品质基金项目:本课题受国家自然科学基金(50775081,51075007);教育部“新世纪优秀人才计划”(NCET-)7-)330);北京市属市管高等学校人才强教计划资助项目(PHRIHLB20090203)等资助研究方向为流体传动与控制。

  需求,过滤技术的发展受到各国的普遍重视。

  世界上一些主要经济和技术发达国家,如美国、日本、英国、德国、法国等都先后开展了对液压系统污染控制这一领域内有关问题的研究和探索,在颗粒分析、过滤、元件污染度、危害及系统管理等多个主要方面取得了很大的进展。相比较而言,国内对于油液过滤技术的研究主要集中于对过滤介质、过滤效率的研究,而对过滤方式的研究相对国外滞后很多。目前我国的过滤技术仍处于国外80年代末的水平,落后西方先进技术约10~15年,虽然近几年在液压油液过滤技术研究和应用方面取得了一定的进展,但先进的过滤设备方面依然依赖于进口。近年来国内外采用的净油技术主要有:常用的过滤器过滤、静电净油、真空净油、磁性过滤、聚结法油水分离等等。但是以上方法均存在一些不足之处,对比情况如表1所示。

  表1各种油液净化方法的对比净油方法去除污染物类型缺点过滤器过滤固体颗粒当达到过滤器纳污容量时,需对设备停机以维护过滤器,造成停机费用和过滤器维护费用的浪费静电净油微小颗粒、胶状污染物、水珠和气泡对油液的含水量有严格的控制,净油效率低、不能进行在线过滤,可能引进新的污染物静电能真空净油水分、空气、挥发性有害物质装置占地面积大、设备复杂磁性过滤颗粒污染物结构复杂聚结法乳化水除水效果受到油液中水的乳化程度、油液的流速和粘度等因素的限制由于固体颗粒和水分占液压油液污染物的绝大部分,因此对于这两相的滤除尤为重要。但是从表中可以看出以上任何一种净油方法都未能对这两相同时进行有效滤除。静电净油虽然去除的污染物类型范围较广,但其不能进行在线过滤并且过滤时间长、净油效率低,不适宜应用到要求现场过滤的场合。为满足各行业对高品质液压油液的要求,有必要研制一种过滤效率高、能够有效除去油液中的固体颗粒和水分,同时能进行在线过滤的新型过滤技术。

  旋流分离技术与超重力技术是近些年来迅速发展起来的分离技术,这两项技术因为分离效率高、分离效果好,受到工程界的广泛认可。截止到目前,还没有将这两项技术应用到液压系统污染控制方面的相关报道,因此可以考虑将其运用到液压系统油液的净化领域,这也将是对旋流分离技术及超重力技术拓展领域的一次全新探索。

  2.1旋流分离技术的国内外研究现状旋流分离技术是上世纪80年代发展起来的油水分离技术,它是依靠离心力利用两相的密度差实现油水的分离。其主要工作原理是:待分离的两相混合液以一定的压力(或速度)从旋流器的人口切向进人旋流器后,在离心力的作用下,由于液体混合物的密度不同,重组分在离心力作用下将向旋流器的管壁流动,随后聚集的重组分通过底流口排出;轻组分则在管中心轴处运动,最后通过人口方向的溢流口排出,从而实现轻重组分的分离。旋流器还具备一系列优点,如水力旋流器投资和运行成本在离心机、过滤器、聚结器和IGF等所有列出的分离方法中成本是最低的。此外,它还具有分离效率高,结构紧凑等优点。

  在美国获得世界上第一个水力旋流器专利。虽然旋流分离技术发展很早,但对于液-液分离领域的研究开发工作则是从1967年英格兰海南岸的“TrnreyCanyon”海轮遇难事件后才开始的。

  20世纪70年代,英国南安普敦大学的Thew教授首先将研制的水力旋流器应用于油-水分离,并从1980年的国际旋流器会议开始,陆续公布他们的研究成果。到1985年,正式在英国北海油田和澳大利亚巴士海峡油田的海上石油开采平台使用旋流器,标志其进人工业应用阶段。旋流器的应用为油田分离提供了一种经济的、高效的、技术可行的新型技术方法,开辟了油水分离的新篇章。

  目前旋流分离技术主要呈现出两个研究发展趋势:一是以英国南安普敦大学为代表的静态旋流分离技术;二是以法国TOTALCEP和NEYRTEC为代表的动态旋流分离技术。与静态旋流器相比,动态旋流器可以使湍流运动大为减少,具有分离能力强、进料压力低、适用的流量和处理介质范围广等优点。但其结构比较复杂,旋转叶栅对液体有进一步乳化作用,进而影响分离效率,外壳旋转引起的振动影响旋流器内部流场的稳定等。

  气固、固液、液液两相及固顿顿三相旋流器的研究受到国内外科学工作者的广泛关注。目前在国外,旋流器这种设备已被广泛应用在含油污水的处理领域。美国仅Conoco公司生产的300多台套旋流器就应用到18个国家,处理能力达到5. 104m3/h.近些年来在淀粉的分离、果汁的浓缩以及污水处理方面也有大量的关于旋流器应用方面的报道。

  近些年国内针对旋流器中的流动与分离规律进行了一系列分析研究。从1989年开始,国内一些科研院所开始在仿制的基础上对影响旋流脱油性能的参数、速度场、计算机模拟等方面进行了研究。

  王志斌、陈文梅等在考虑液相与固体颗粒之间相互作用的条件下,对液相采用雷诺应力模型(DSM),对油滴采用随机轨道模型成功地模拟出油滴的运动轨迹和油相浓度分布。

  南昌大学的胡正瑗对旋流器中液体的运动微分方程、流线方程、速度分布、压力分布、能量损失进行了分析,阐述了水力旋流器分离液固两相流颗粒运动状况。

  法为基础,对静态液-液分离水力旋流器进行数值计算,模拟得到的速度矢量图和流线图较好地反映了旋流器内部流体流动的基本规律。陆耀军等先后采用标准模型、RNGk卞模型和雷诺应力模型(DSM)对液-液旋流分离管中的强旋湍流进行数值模拟研究。结果表明,3种模型中以DSM模型的预报结果最为合理,但同:转轴接电机,净化油液出口分离面填料旋转床'切向喷嘴旋风接槽图i超重力旋流净油砚置原理图此装置的分离过程为:切向进人的油液首先流人旋流段,污染物颗粒群中的较大直径颗粒经过离心沉降和重力沉降,最先被捕获而落人底部的旋风接槽;初步净化的油液(形成旋流的中心核)沿转轴向上进人旋转床内部空间,并随旋转填料床在电机的带动下高速旋转。填料的作用是使流体相对速度增大,巨大的剪切力克服表面张力,增加了相间的接触面积,将液体撕裂成微米级的液雾。在超重力作用下,当含液雾的液滴通过高速旋转的、弯曲狭窄且多变的、充满着极薄的液雾和细小液滴的填料层中的空隙时,液滴和液雾的惯性沉降能力增强,与液体、填料都形成了急速的碰撞接触,使得液滴和液雾有效凝并。通过合理地布置填料,内圈采用疏水性材料,外圈使用亲水性材料,在离心力的作用下实现不同密度介质的分离。这样净化后的油液沿旋转床外部空间向上流动,经出口排出;水分和其他杂质由壳体底部的旋风接槽排出。

  下一步的工作重点是对旋流器和超重力旋转床进行流体动力学分析和污染物粒群迁移特征分析。在深人研究旋流器和超重力场污染物迁移特征的基础上,构建旋流器和超重力旋转床内污染物多相流运动模型和污染物迁移动力学模型;根据油液与污染物的分散体积力,研究影响分离效率的主要参数。运用Fluent对旋流器和超重力旋转床内的油液流动进行数值模拟,并对污染物粒群进行流场分析,总结出旋流器和超重力旋转床内部流体流动的基本规律,确定旋流器和超重力旋转床关键尺寸。

  超重力技术与旋流分离技术相结合来解决液压系统的污染控制问题,国内外还没有这方面的研究报道,此项技术一旦研制成功将是学术上的一次创新,因此值得深人探索研究。这项新型净油技术的研究对于降低液压系统因油液污染而出现的故障、提高液压系统的可靠性具有十分重要的意义,同时也可以进一步满足我国国民经济各部门甚至军事部门对液压系统可靠运行的迫切要求。

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